raman spectroscopy что это
Рамановская спектроскопия
Углубленное изучение химических реакций
Что такое рамановская спектроскопия?
Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния) — это метод молекулярной спектроскопии, основанный на взаимодействии света с веществом. Он позволяет получить представление о структуре материала или его характеристиках, и в этом отношении схож с методом ИК-Фурье спектроскопии (FTIR). Рамановская спектроскопия основана на изучении рассеянного света, тогда как ИК-спектроскопия основана на поглощении света. Рамановская спектроскопия дает информацию о внутримолекулярных и межмолекулярных колебаниях и помогает составить более полное представление о реакции. Как рамановская, так и ИК-Фурье спектроскопия дают спектральную характеристику колебаний молекул («молекулярный отпечаток») и применяются для идентификации веществ. При этом рамановская спектроскопия может дать дополнительную информацию о низкочастотных модах и колебаниях, которые указывают на особенности кристаллической решетки и молекулярной структуры.
Поточная рамановская спектроскопия используется для мониторинга процессов кристаллизации, выявления механизмов и кинетики реакции. В сочетании с аналитическими инструментами эти данные позволяют глубже понять и оптимизировать реакцию.
Принцип рамановской спектроскопии
Когда свет взаимодействует с молекулами в газе, жидкости или твердом теле, подавляющее большинство фотонов рассеивается, имея ту же энергию, что и падающие фотоны. Этот процесс называется упругим или рэлеевским рассеянием. Некоторые фотоны — примерно один из 10 миллионов — после рассеяния приобретают частоту, отличную от частоты падающего фотона. Этот процесс называется неупругим рассеянием или эффектом Рамана, названным так в честь сэра Чандрасекхара Венката Рамана, который открыл его и в 1930 году был удостоен Нобелевской премии по физике. С тех пор эффект Рамана широко применяется в различных областях — от диагностики в медицине до материаловедения и анализа реакций. Эффект Рамана позволяет узнать колебательную характеристику молекулы, дающую представление о том, как она устроена и как взаимодействует с другими молекулами.
Процесс комбинационного (рамановского) рассеяния
С точки зрения квантовой механики процесс рамановского (комбинационного) рассеяния заключается в том, что при взаимодействии фотонов с молекулой та может перейти в виртуальное состояние с более высокой энергией. Существует несколько вероятных сценариев выхода молекулы из этого состояния. В одном из них молекула может перейти в состояние с уровнем колебательной энергии, который отличается от начального уровня, испустив при этом фотон с другой энергией. Разница между энергией падающего фотона и энергией рассеянного фотона называется рамановским сдвигом.
Если энергия рассеянного света уменьшается, такое рассеяние называют стоксовым. Некоторые молекулы изначально находятся в возбужденном колебательном состоянии, и тогда после перехода в виртуальное состояние с более высокой энергией они могут перейти в конечное состояние с энергией ниже, чем у исходного возбужденного состояния. Такое рассеяние называется антистоксовым.
Основы рамановской спектроскопии
Как работает рамановская спектроскопия?
В отличие от ИК-Фурье спектроскопии, которая показывает изменения дипольных моментов, рамановская спектроскопия показывает изменения поляризуемости молекулярных связей. Взаимодействие света с молекулой может вызвать деформацию ее электронного облака. Эта деформация называется изменением поляризуемости. При определенных энергетических переходах, сопровождаемых изменениями в поляризуемости молекулярных связей, возникают активные рамановские моды. Например, изменения в поляризуемости при взаимодействии с фотонами происходят в молекулах, имеющих гомоядерные связи: углерод — углерод, сера — сера или азот — азот. Все эти связи порождают активные полосы в рамановском спектре, но в ИК-спектрах они не будут проявляться либо будут проявляться слабо.
Поскольку рамановский эффект слабый, оптические компоненты рамановского спектрометра должны быть специальным образом оптимизированы и хорошо отъюстированы. Кроме того, поскольку органические молекулы могут быть склонны к флуоресценции под воздействием коротковолнового излучения, обычно используются монохроматические источники с большой длиной волны, например твердотельные диодные лазеры, которые излучают свет с длиной волны 785 нм.
Основные области применения рамановской спектроскопии
Рамановская спектроскопия используется в промышленности для решения различных задач, в том числе:
Рамановская и ИК-Фурье спектроскопия
Сравнение
Хотя методы ИК-Фурье и рамановской спектроскопии во многих случаях взаимозаменяемы и хорошо дополняют друг друга, существуют различия, которые следует учитывать при выборе того или иного метода на практике. Большинство молекул, обладающих симметрией, проявляют себя и в инфракрасном, и в рамановском спектрах. Особый случай представляют молекулы с центром инверсии. Если молекула обладает центром инверсии, то полосы рамановского рассеяния и ИК-полосы будут взаимоисключающими, то есть связь будет активна либо в рамановском, либо в ИК-спектре. Существует общее правило: функциональные группы с сильными изменениями дипольного момента хорошо заметны в ИК-спектре, тогда как функциональные группы со слабыми изменениями или с высокой степенью симметрии лучше видны в рамановских спектрах.
Рамановскую спектроскопию рекомендуется выбирать в следующих случаях:
ИК-Фурье спектроскопию рекомендуется выбирать в следующих случаях:
Преимущества поточной рамановской спектроскопии
Рамановская спектроскопия обладает множеством преимуществ. Поскольку в рамановских спектрометрах используются лазеры видимого диапазона, для возбуждения образца и сбора рассеянного излучения могут использоваться гибкие оптоволоконные кабели из кварцевого стекловолокна. При необходимости эти кабели можно сделать довольно длинными. Поскольку используется видимый свет, образцы можно поместить в стеклянную или кварцевую посуду. Следовательно, при изучении химических реакций зонд рамановского спектрометра можно ввести в реакционную среду или регистрировать спектры рамановского рассеяния через окно, например, во внешнем пробоотборном контуре или в проточной ячейке. Последний метод исключает возможность загрязнения образца. Поскольку в качестве материала для окна можно использовать кварц или высококачественный сапфир, рамановские спектры каталитических реакций можно наблюдать в ячейках высокого давления. При исследовании катализаторов оперативная спектроскопия с использованием эффекта Рамана полезна для изучения реакций на каталитических поверхностях in situ в режиме реального времени. Еще одно преимущество рамановской спектроскопии заключается в том, что гидроксильные связи не очень активны в рамановском спектре, и поэтому данный метод подходит для водных сред. Рамановская спектроскопия считается неразрушающей, хотя лазерное излучение может повлиять на некоторые образцы. При выборе этого метода необходимо учитывать, насколько конкретный образец может быть склонен к флуоресценции. Рамановское рассеяние — слабый эффект, и флуоресценция может заглушить сигнал, затрудняя получение качественных данных. Эту проблему зачастую можно решить, используя источник возбуждения с большей длиной волны.
Что касается анализа реакций, рамановская спектроскопия чувствительна ко многим функциональным группам, но особенно эффективна при получении информации о молекулярной структуре. Рамановский спектр уникальным образом характеризует молекулы. Поскольку рамановская спектрометрия опирается на поляризуемость связей и способна измерять низкие частоты, она чувствительна к колебаниям кристаллической решетки, дающим информацию о полиморфизме. ИК-Фурье спектроскопия в этом отношении менее информативна. Это позволяет с большой эффективностью использовать рамановскую спектроскопию при изучении кристаллизации и других сложных процессов.
Оборудование для рамановской спектроскопии
Современный компактный рамановский спектрометр состоит из нескольких основных компонентов, включая лазер, служащий источником возбуждения молекул для индуцирования рамановского (комбинационного) рассеяния. Обычно в современный рамановских спектрометрах используются твердотельные лазеры с длинами волн 532, 785, 830 и 1064 нм. Лазеры с более короткими длинами волн имеют большую площадь рассеяния, поэтому сигнал в итоге получается более мощным, однако на таких длинах чаще возникает флуоресценция. Чтобы ее избежать, многие рамановские спектрометры оснащаются лазером с длиной волны 785 нм. Для передачи энергии лазера используются волоконно-оптические кабели. Для устранения рэлеевского и антистоксового рассеяния используются полосовые или краевые фильтры, а оставшийся свет, подвергшийся стоксовому рассеянию, передается на дисперсионный элемент — обычно это голографическая решетка. Свет попадает на ПЗС-детектор, после чего строится спектр рамановского рассеяния. Поскольку рамановское рассеяние дает слабый сигнал, очень важно, чтобы в рамановском спектрометре использовались высококачественные и хорошо отъюстированные компоненты.
Путеводитель по рамановской спектроскопии
Основы Раман спектроскопии
Что такое рамановская спектроскопия?
Принцип Раман спектроскопии
Рамановская спектроскопия относится к методам колебательной спектроскопии. Это означает, что с помощью метода проводится химический анализ образца. Для возбуждения молекулярного колебания применяется свет. Далее взаимодействие света и вещества анализируется и интерпретируется.
Метод основан на неупругом рассеянии света, возникающем при облучении вещества монохроматическим источником света. После того, как этот монохроматический свет пропровзаимодействовал с образцом, очень небольшая часть рассеянного света изменяет длину волны.
Это называется Раман эффектом. Теперь мы можем собрать этот рассеянный свет с помощью спектрометра и использовать его для получения информации об образце.
Когда фотоны света «падают» на вещество, большая часть рассеянного света не меняет свою длину волны. Например, если вы наведете зеленую лазерную указку на стену, вы всегда увидите зеленую точку. Рассеянный свет будет иметь такой же цвет как и падающий свет, и это явление называется рассеянием Рэлея.
Однако при падении света на вещество также могут происходить процессы неупругого рассеяния света, которые приводят к излучению рассеянного света с другой длиной волны. Обычно это происходит из-за молекулярных колебаний. Это явление рассеяния, которое было предсказано Адольфом Смекалем в 1923 году и обнаружено К.В. Раман в 1930 году называется эффектом Рамана.
Применение Раман эффекта в спектроскопии
Обнаружение и понимание Раман эффекта открыло дверь новому методу спектроскопии. Однако только с открытием и созданием лазеров метод Раман по-настоящему прижился, поскольку, как уже упоминалось выше, для рамановской спектроскопии необходим монохроматический свет.
Таким образом, образец облучается лазерным излучением, а рассеянный свет анализируется спектрографом (используется дисперсионная или FT-технология). В итоге мы получаем рамановский спектр, который показывает нам характерные «полосы» исследуемого вещества.
Как работает рамановская спектроскопия?
Удивительно, но построить рамановский спектрометр на самом деле довольно просто! Если Вы посмотрите на YouTube, вы можете найти видеоролики из серии «Сделай сам», которые покажут Вам, как провести очень простой эксперимент для получения спектральных данных. Поэтому Вы можете найти рамановские спектрометры практически в любом исполнении: настольные, исследовательские, портативные, микроскопы и on-line спектрометры.
Чтобы получить спектры комбинационного рассеяния, Вам просто нужно сфокусировать лазер на образце, который вы хотите исследовать. Однако этот образец не должен демонстрировать флуоресценцию для лазера, используемого для возбуждения. Если флуоресценция присутствует, то она перекроет большую часть эффекта комбинационного рассеяния, поскольку Раман намного слаб по сравнению с люминесценцией.
После того как лазерный луч попал на образец, рассеянный от образца свет пропускают через специальный фильтр (чтобы избавиться от света возбуждающего лазера). Затем свет направляется на решетку, которая разлагает излучение подобно призме по длинам волн. И в самом конце это излучение попадает на ПЗС-детектор (CCD), который регистрирует спектр в зависимости от интенсивности.
Как выглядит рамановский спектр?
Вначале мы упоминали, что спектр комбинационного рассеяния содержит определенные «полосы». Эти полосы уникальны для определенных функциональных групп, а часто и для веществ. Линии комбинационного рассеяния света предоставляют информацию о химическом составе вещества, а также о кристалличности, полиморфизме или изменениях давления и температуры.
Раман микроскопия
Как правило, длина волны лазерного излучения, используемого в Раман спектроскопии, находится в видимом спектральном диапазоне, это означает, что лазерное излучение может свободно проходить через стекло, используемое в предметных стеклах или линзах микроскопа. Следовательно, вполне возможно интегрировать рамановский спектрометр в оптическую схему стандартного микроскопа.
На самом деле довольно часто Раман микроскоп предпочтительнее классического настольного рамановского спектрометра, поскольку Раман микроскоп предлагает простой подход «наведи и снимай» и не требует большой дополнительной подготовки образцов. Образец (например, графеновые волокна) необходимо поместить под объектив микроскопа, далее выбирается точка анализа и затем проводится регистрация спектра.
Введение в Раман с Yan Di
Эксперт в Раман спектроскопии Di Yan создал вместе с нами обучающие видео, в которых весело и доступно объясняет принципы работы Раман для начинающих пользователей. Подипишитесь на наш канал YouTube, чтобы не пропустить новую серию!
Рамановская спектроскопия
Содержание
Принцип работы
История
В 1923 году Смекал теоретически предсказал явление неупругого рассеяния. Впоследствии в 1928 г. Раману и Шриману удалось доказать его экспериментально. Для этого был сконструирован специальный спектрометр, что с помощью телескопа фокусировал солнечные лучи на образце чистой жидкости. Используя систему светофильтров, ученым удалось отделить лучи с частотой колебаний отличной от падающих что указывало на существование другого, не релеевского рассеяния.
Строение Раман-спектрометра
Раман-спектрометр состоит из четырех основных компонентов:
Источники возбуждающего света
Преимущественно как источник возбуждающего света используют такие лазеры, как Ar + (351,1-514,5 нм), Kr + (337,4-676,4 нм) и He-Ne (632,8 нм). В последние годы внедряются также лазеры Nd: YAG, диоды и эксимерные лазеры для УФ резонансной Раман-спектроскопии. Со времени появления спектроскопии до открытия лазера (1960-е годы) единственным источником возбуждения были ртутные лампы с дополнительным светофильтром. Для того, чтобы достичь необходимой мощности в комплект таких ламп входили специальные усилители.
Система освещения образца
Лазерный луч, учитывая его малый диаметр (
1мм), несложно сфокусировать на образце. Рассеянные лучи направляют на светофильтр чаще с помощью систему сборных и фокусирующих линз (рис.1), хотя также применяют систему зеркал (рис.2). Система ахроматических линз может иметь две конфигурации, в зависимости от того, фиксируются лучи рассеивающиеся под углом 90° (а), или под углом 180° (б).
Светофильтры
Как правило используются интерференционные фильтры, в которых две оптические плоскости способны пропускать только лучи с длинами волн, кратные удвоенной толщины фильтра. Недавно начали применяться и акустические фильтры.
Детекторы
В связи с малой интенсивностью рамановского сигнала, к детекторам применяются серьезные требования, а потому фотографические пленки уступили место высокочувствительным фотодетекторам.
Источники
Полезное
Смотреть что такое «Рамановская спектроскопия» в других словарях:
рамановская спектроскопия — Ramano spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Medžiagoje išsklaidytos vienspalvės šviesos spektrų tyrimas. atitikmenys: angl. Raman spectroscopy vok. Raman Spektroskopie, f rus. рамановская спектроскопия, f;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
рамановская спектроскопия — Ramano spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Optinės spektroskopijos skyrius, nagrinėjantis Ramano sklaidą medžiagose. atitikmenys: angl. Raman spectroscopy vok. Raman Spektroskopie, f rus. рамановская… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
Рамановская спектроскопия — Ramano spektroskopija statusas T sritis chemija apibrėžtis Optinės spektroskopijos skyrius, nagrinėjantis Ramano sklaidą medžiagose. atitikmenys: angl. Raman spectroscopy rus. Рамановская спектроскопия; спектроскопия комбинационного рассеяния… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
рамановская спектроскопия — Ramano spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Raman spectroscopy vok. Raman Spektroskopie, f rus. рамановская спектроскопия, f; спектроскопия комбинационного рассеяния, f pranc. spectroscopie Raman, f … Fizikos terminų žodynas
РАМАНОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ — то же, что комбинационного рассеяния спектроскопия … Химическая энциклопедия
рамановская спектроскопия оптической активности — Изучение биологических молекул по наведенному излучению [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN raman optical activity spectroscopy … Справочник технического переводчика
Нелинейно-оптические методы, в том числе рамановская спектроскопия — Статьиколебательная спектроскопиякрай полосы поглощенияэффект Рамана (Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО») … Энциклопедический словарь нанотехнологий
СПЕКТРОСКОПИЯ — раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения. Здесь мы рассмотрим оптическую спектроскопию часто называют просто спектроскопией. Свет это электромагнитное излучение с длиной волны l от 10 3 до 10 8 м. Этот диапазон… … Энциклопедия Кольера
спектроскопия комбинационного рассеяния — Ramano spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Medžiagoje išsklaidytos vienspalvės šviesos spektrų tyrimas. atitikmenys: angl. Raman spectroscopy vok. Raman Spektroskopie, f rus. рамановская спектроскопия, f;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
Рамановская спектроскопия (комбинационного рассеяния). Основы, методы, применение
Содержание:
Рамановская спектроскопия комбинационного рассеяния)представляет собой молекулярную спектроскопию для наблюдения за неэластично рассеянным светом и позволяет идентифицировать вибрационные состояния (фононы) молекул. Поэтому рамановская (КР) спектроскопия является бесценным аналитическим инструментом для молекулярного получения отпечатков пальцев и контроля изменений в молекулярной структуре связей (например, изменений состояний и нагрузок).
По сравнению с другими методами вибрационной спектроскопии, например, ИК-Фурье и спектроскопии ближнего ИК, спектроскопия комбинационного рассеяния (рамановская) имеет ряд преимуществ. Они являются следствием того, что рамановский эффект наблюдается в рассеянном свете от образца, а не в спектре поглощения образцом света. Поэтому рамановская спектроскопия не требует специальной подготовки образца и нечувствительна к полосам поглощения. Это свойство рамановской (КР) спектроскопии облегчает процесс непосредственного измерения в твердых, жидких и газообразных средах, а также измерения через прозрачные материалы, например, стекло, кварц, пластмассу.
По аналогии с ИК-Фурье спектроскопией, рамановская спектроскопия весьма избирательна, что позволяет идентифицировать и дифференцировать молекулы и химические образцы, которые очень похожи между собой. На рис.1 показан пример с пятью похожими молекулами – ацетоном, этанолом, диметилсульфоксидом, этилацетатом и толуолом. Несмотря на то, что каждый химический элемент имеет подобную молекулярную структуру, их рамановский спектр весьма различен, это видно даже невооруженным взглядом. С помощью справочника рамановских спектров можно без труда определить материал.
Рис. R-1 Рамановские спектры разных молекул
Теория рамановского рассеяния
При рассмотрении рамановского рассеяния можно воспользоваться двумя методами, а именно, волновой теорией света или квантовой теорией. В классической (волновой) интерпретации свет рассматривается как электромагнитное излучение, которое создает изменяемое электромагнитное поле, взаимодействующее с молекулами через эффект поляризации. Поляризуемость определяется способностью электронного облака взаимодействовать с электрическим полем. Например, легкие молекулы, скажем, бензин, легко рассеивают рамановский свет, а более тяжелые молекулы, например, вода, рассеивают его хуже.
Рис. R-2 Сравнение двух теорий при интерпретации рамановского рассеяния
В квантовой теории свет рассматривается в виде фотонов, которые, ударяясь о молекулу, рассеиваются. Количество рассеянных фотонов пропорционально размеру связей. Например, молекулы с сильными связями, бензин, рассеивают большое количество фотонов, а вода, имеющая слабые связи, обладает низким рамановским рассеянием. На рис. 2 показан результат сравнения двух теорий.
Происхождение рамановского эффекта довольно легко интерпретировать с помощью классической теории при рассмотрении двухатомной молекулы в виде «масс и пружины» (см. рис. 3), где m представляет собой атомную массу, x смещение, K прочность связи.
Рис. R-3 Модель двухатомной молекулы («массы на пружине»)
При такой аппроксимации смещение молекулы можно описать законом Гука по формуле:
Заменив меньшую массу (m1m2/[m1+m2]) на µ и полное смещение (x1+x2) на q, уравнение можно преобразовать к виду:
Решая данное уравнение относительно q, получаем:
где νm молекулярная вибрация, которая определяется как
Из уравнений R-3 и R-4 становится очевидно, что молекулы вибрируют по косинусоидальной кривой с частотой, пропорциональной силе сцепления и обратно пропорциональной массе. Каждая молекула выдает свой собственный сигнал вибраций, который зависит не только от атомов молекулы, но также и от индивидуальных связей. С помощью рамановского эффекта эти частоты вибрации можно измерить с учетом поляризации молекулы α, которая представляет собой функцию смещения q. Когда падающий свет взаимодействует с молекулой, он индуцирует дипольный момент P, равный поляризации молекулы и электрическое поле источника света. Это можно выразить следующим образом:
где Eo представляет собой интенсивность, νo – частота электрического поля. С помощью небольшой аппроксимации амплитуды поляризуемость можно описать как линейную функцию смещения:
которая в сочетании с равенствами R-3 и R-5 приводит к:
В уравнении R-7 наблюдается два результирующих эффекта, которые проистекают из взаимодействия молекулы и света. Первый компонент называется распределением Рэлея, он доминирует и не меняет частоту света. Второй компонент – рамановское рассеяние:
для изменения частоты света увеличивается или уменьшается частота молекулярной вибрации. Рост частоты известен как антистоксов сдвиг, а снижение частоты как стоксов сдвиг. Измеряя изменение частоты падающего света (обычно используется только стоксов сдвиг), рамановский эффект дает значение частоты вибрации молекулярной связи.
Мы исходили из классической волновой теории света, теперь можем использовать квантовую теорию для лучшей визуализации указанного процесса и получения дополнительной информации. Как говорилось ранее, рамановский эффект представляет собой неэластичное рассеяние фотонов молекулярной связи. Из диаграммы Яблонского, представленной на рис. R-4, следует, что фотон света возбуждает молекулу и переводит ее в «виртуальное» состояние.
Рис. R-4 Диаграмма Яблонского, на которой представлены процессы изменения энергетического состояния при распределениях Рэлея и Рамана
При этом мы приходит к трем основным потенциалам. Первый: молекула может вернуться в основное состояние, испустив фотон энергией, равной фотону падающего света; этот процесс является эластичным и его называют распределением Рэлея. Второй: молекула может перейти в фононное состояние и выпустить фотон с меньшей энергией по сравнению с падающим фотоном; этот процесс называется стоксовым сдвигом рамановского распределения. Третий потенциал – это когда молекула находится в фононном состоянии, возбуждается и переходит в виртуальное состояние, затем возвращается в основное состояние и испускает фотон с более высокой энергией, чем фотон падающего света; этот эффект называется антистоксовым рамановским распределением. Поскольку большинство молекул находятся в основном состоянии при комнатной температуре, вероятность данного явления очень низкая. В результате этого большинство рамановских измерений выполняются только при стоксовом сдвиге.
Дальнейшее исследование рамановского эффекта приводит к тому, что мощность распределенного света Ps, равна интенсивности падающих фотонов, Io, или значению параметра, которое называют сечением рамановского рассеяния σR. Это можно отобразить как:
где λ – это длина волны падающего фотона. Поэтому:
Из уравнения R-10 очевидно, что существует линейная зависимость между мощностью рассеяния и интенсивностью падающего света, а также между мощностью рассеяния света и обратной величине длины волны, взятой в четвертой степени. Поэтому желательно использовать коротковолновое возбуждение и источник возбуждения высокой мощности. Но, как показано в следующем разделе, это не всегда помогает.
Компоненты рамановского спектрометра
В любом спектрометре имеются три основных компонента: источник возбуждения, аппарат получения сигнала от образца, детектор. Все три компонента претерпели изменение в течение многих лет, в современном рамановском спектрометре использует лазер в качестве источника возбуждения, детектор и микроскоп или оптоволоконный датчик для получения сигнала от образца.
Поскольку рамановская спектроскопия основана на измерении изменений в длинах волн (или частоты), обязательно необходим источник монохроматического возбуждения. Несмотря на то, что лазер является наилучшим источником возбуждения, не все лазеры подходят для рамановской спектроскопии. Частота лазера должна быть чрезвычайно стабильной и без скачков, в противном случае, это приводит к ошибкам в рамановском сдвиге. Также следует использовать узкополосный лазер, так как качество рамановских пиков зависит от четкости и точности источника возбуждения света.
Заключительным фактором, на который следует обратить пристальное внимание при выборе лазера для рамановской спектроскопии, является длина волны. Из предыдущего раздела становится ясно, что чем короче длина волны, тем мощнее рамановский сигнал. Но, как уже отмечено, это не единственное условие, в частности, для работы с органическими молекулами. Большинство органических молекул склонны к флуоресценции при облучении фотонами высокой энергии (короткой длины волны). Несмотря на то, что флуоресценция рассматривается как процесс слабого свечения, она способна подавлять сигнал рамановского спектра, как показано на рис. R-5. Это связано с тем, что рамановский эффект содержится в очень малой доли (примерно 1 к 10 7 ) падающих фотонов. Лазеры видимого спектра обычно используются только для анализа неорганических материалов, например углеродных нанотрубок.
Рис. R-5 Сравнение рамановского спектра при разных длинах волн источника возбуждения для демонстрации влияния флуоресценции
Для органических молекул необходимо переключиться на длину волны ближнего ИК для снижения влияния флуоресценции без выхода за пределы спектрального диапазона ПЗЦ-детектора. Способность максимального подавления эффекта флуоресценции без сужения спектрального диапазона или разрешения делают диодные лазеры 785нм стандартными в применении в данной отрасли. Для повышения чувствительности к неорганическим молекулам следует использовать лазеры 532нм.
Как известно, рамановское распределение является довольно слабым и поэтому требует длительного времени интегрирования, чтобы собрать необходимо количество фотонов для измерения четкого сигнала. Поэтому TE охлаждаемый спектрометр необходим для снижения темнового шума. Для очень малых концентраций материала и слабых рамановских распределений необходимо использовать просветленный ПЗЦ-детектор, чтобы увеличить чувствительность спектрометра. Травление поверхности детектора в несколько микрон значительно снижает вероятность повторного поглощения электронов, проходящих сквозь детектор по закону Бэра. Это увеличивает квантовую эффективность (чувствительность) детектора с 35% до более чем 90%.
При анализе образца самым эффективным методом фокусировки лазерного пучка на образец, сбора рамановского рассеяния и направления его в спектрометр является установка оптоволоконного датчика.
Рамановский датчик должен уметь направлять и фокусировать свет монохроматического источника (лазер) на образец, собирать рассеянный свет и затем направлять его в спектрометр. Рис. R-6 показывает типичную конструкцию указанного датчика.
Рис. R-6 Стандартная конструкция рамановского датчика
Поскольку очень важен четкий сигнал для рамановской спектроскопии, узкополосный фильтр установлен в оптическом канале источника возбуждения. Рамановский эффект чрезвычайно слабый, поэтому сигнал необходимо собирать под углом 0o к нормали поверхности образца. Это становится причиной интерференции с рассеянием Рэлея, поэтому собранный сигнал пропускают через широкополосный фильтр и затем направляют в спектрометр.
Гибкость оптических волокон позволяет установить датчик в твердом образце, погрузить его в жидкость или суспензию в лаборатории (для кинетических измерений). Датчик можно также подключить к микроскопу, держателю кюветы, а также множеству иных принадлежностей.